PEMANFAATAN LIMBAH KULIT BUAH PISANG UNTUK PRODUKSI CNT (CARBON NANOTUBE) MENGGUNAKAN METODE PIROLISIS DENGAN KATALIS BESI

PEMANFAATAN LIMBAH KULIT BUAH PISANG UNTUK PRODUKSI CNT (CARBON NANOTUBE) MENGGUNAKAN METODE PIROLISIS DENGAN KATALIS BESI Intanasa Nurdenti1 dan Praswasti Pembangun Dyah Kencana Wulan2 1

Teknologi Bioproses, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia 2 Riset Grup Energi Berkelanjutan, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia E-mail: [email protected]

Abstrak Dalam penelitian ini, karbon aktif dari limbah kulit pisang digunakan sebagai sumber karbon untuk produksi CNT. Setelah proses aktifasi dengan KOH, karbon aktif diberi dua perlakuan: dikeringkan lalu dipanaskan pada suhu 600oC dalam keadaan inert dan langsung dipanaskan pada suhu 600oC dalam keadaan inert. Perbedaan perlakuan dilakukan untuk melihat pengaruh proses tersebut terhadap hasil akhir. Proses pertumbuhan CNT dari karbon aktif dilakukan dengan menggunakan metode pirolisis sederhana pada suhu 1100oC dengan campuran minyak mineral sebagai prekursor. Proses penumbuhan CNT diberi variasi penambahan katalis eksternal dan tanpa penambahan katalis eksternal. Hasil pirolisis dikarakterisasi dengan XRD dan FE-SEM. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa karbon aktif yang mengalami pengeringan tidak dapat menghasilkan CNT, baik ketika ditambahkan katalis maupun tidak. Sedangkan karbon aktif yang tidak mengalami pengeringan berhasil ditumbuhkan CNT, Karbon aktif dari limbah kulit pisang ini dapat menghasilkan CNT dengan kualitas yang cukup baik. Kata kunci : karbon nanotube, pirolisis, kulit pisang, katalis, besi, karbon aktif

Abstract Utilization of Banana Peel Waste for CNT (Carbon Nanotube) Production with Pyrolysis Method and using Iron Catalyst. In this study, the activated carbon from waste banana peel is used as a carbon source for growth of CNT. After the process of activation by KOH, different treatments are given to the activated carbon: dried and then heated to 600oC and directly heated to 600oC to see the influence of the process towards the final CNT result. CNT growth process is using a simple method of pyrolysis temperature 1100oC with a mixture of mineral oils as a precursor. The process of growth of CNT is varied with additional external catalysts and without additional external catalysts. Results of pyrolysis are characterized with XRD and FE-SEM. Characterization results show activated carbon that undergoes drying cannot produce CNT, both when catalyst is added or not. While activated carbon that does not have a drying successfully grown CNT, activated carbon from waste banana peels can generate CNT with quite good quality. Keywords:carbon nanotube, pyrolysis, banana peel, iron catalyst, activated carbon

1. Pendahuluan CNT adalah satu jenis rantai atom karbon yang berikatan secara heksagonal berbentuk silinder tabung yang berdiameter 1-2 nanometer. CNT pertama kali ditemukan oleh Sumio Iijima pada tahun 1991 dalam eksperimennya menciptakan fullerene dengan struktur

baru. Karakterisasi dari CNT temuan Iijima ini menunjukkan bahwa CNT memiliki sifat-sifat fisik, termal, mekanik, elektrokimia, elektronik, dan magnetik yang unik [11] Untuk memproduksi CNT, diperlukan material bahan baku yang mengandung banyak unsur karbon. Prekursor

Pemanfaatan Limbah ..., Intanasa Nurdenti, FT UI, 2013

CNT yang paling banyak dan digunakan dalam penelitian selama ini adalah metana, etilen, asetilen, benzene, xilena, dan karbon monoksida [6]. Terlepas dari senyawa-senyawa hidrokarbon yang disebutkan diatas, CNT juga dapat disintesis dari banyak senyawa organik, terutama polimer, yang tentu saja lebih murah. Limbah makanan merupakan salah satu polimer organik yang dapat diutilisasi sebagai bahan baku pembuatan CNT. Kulit pisang yang dihasilkan dari buah pisang merupakan salah satu limbah makanan yang dapat dimanfaatkan. Selain karena buah pisang sebagai buah dengan hasil produksi terbanyak di Indonesia (BPS, 2010) menghasilkan limbah kulit pisang yang melimpah, kulit pisang juga memiliki kandungan karbon yang cukup tinggi dalam bentuk karbohidrat sebesar 59% [2] untuk dapat digunakan sebagai material sumber karbon untuk proses produksi CNT.

diaktivasi dengan merendam arang dengan zat kimia Kalium Hidroksida (KOH) pada perbandingan berat 1:10 (wt:wt) selama 24 jam. Sebelum perendaman dilakukan pengadukan selama 10 menit dengan pengaduk kaca. Hasil rendaman disaring dan ditiriskan selama 24 jam. Arang yang telah direndam kemudian dipanaskan dengan reaktor pada suhu 600oC untuk lebih membuka pori-pori karbon aktif. waktu mulai dihitung dari suhu reaktor mencapai 600oC. Kemudian didiamkan di dalam reaktor hingga mendingin. Karbon aktif kulit pisang yang telah dihasilkan dicuci dengan HCl 5 N untuk melarutkan senyawa KOH dari karbonnya. HCl yang digunakan sebanyak 500 mL. Karbon aktif yang telah bebas senyawa KOH atau turunannya ini kemudian dicuci untuk menurunkan kadar keasaman dan kemudian dicuci kembali dengan aquadest panas untuk melarutkan senyawa Cl- dengan mengunakan sebanyak ±10L hingga pH larutan air hasil pencucian bernilai 5. Karbon aktif yang telah mencapai pH netral dibilas kembali dengan air aquades dingin sekali saja untuk menghilangkan kandungan pengotor lainnya. Karbon aktif yang telah dicuci dan dinetralkan kemudian di keringkan kembali didalam oven pada suhu 60oC selama semalaman. Kemudian karbon aktif yang sudah kering tersebut di hancurkan menggunakan mortar (pengulekkan/pembubukkan). Karbon aktif yang telah halus kemudian disaring dengan saringan 400 mesh.

Sebelumnya telah dilakukan penelitian tentang produksi CNT dari campuran karbon aktif kulit kulit pisang dan minyak mineral dengan metode pirolisis [9]. Pada penelitian ini kulit pisang dipirolisis pada suhu 400o600oC di dalam tabung reaktor stainless steel. Namun, hasil karakterisasi penelitian ini menunjukkan CNT tidak terbentuk. Ini dikarenakan suhu pirolisis karbonisasi yang kurang tinggi. Diperlukan suhu 1000oC-1200o C agar proses ini dapat menghasilkan CNT yang baik dan molekul Fe dari tabung stainless steel yang bertindak sebagai katalis dalam pertumbuhan CNT dapat terlepas. Dibutuhkan suhu lebih tinggi, diatas 950o C, untuk dapat melepas Fe (logam) dari bahan stainless steel yang berguna sebagai katalis dalam reaksi pertumbuhan CNT [3]. Oleh karena itu, dilakukanlah penelitian pembaharuan untuk dapat menghasilkan CNT dari limbah kulit buah pisang. Penelitian ini dapat membuka peluang untuk memproduksi CNT dengan sumber karbon dari limbah organik yang lebih murah dan mudah didapatkan. Sehingga harga CNT dapat lebih terjangkau.

2.2

Katalis Fe(NO3)3.9H2O dilarutkan didalam aseton hingga mencapai konsentrasi Fe(NO3)3.9H2O di dalam aseton sebesar ±0.09M. Kemudian dicampurkan 2 ml larutan Fe kedalam 1 gr karbon aktif yang menandakan terdapat 1%wt Fe didalam karbon aktif. (Shu, et al, 2007) Hasil pencampuran karbon aktif dan katalis Fe kemudian disonifikasi pada intensitas 30% dengan pulsa kontinu selama 1 jam. Setelah itu campuran dipanaskan pada suhu 60-70oC selama 15 menit untuk menguapkan pelarut. Setelah itu karbon aktif dikeringkan didalam oven pada suhu 100oC selama 2 jam.

2. Metode Penelitian 2.1

Preparasi Karbon Aktif Kulit pisang yang sudah dikeringkan dikarbonisasi dengan reaktor vakum pada suhu 400oC dengan aliran gas N2. Kulit pisang yang telah dibersihkan lalu dimasukkan kedalam oven selama 2 jam pada suhu 120-150oC untuk menghilangkan air yang terkandung di kulit pisang. Kulit pisang yang telah kering ini kemudian di karbonisasi dengan reaktor batch pada suhu 400oC selama ± 2-2,5 jam dimana waktu dihitung pada suhu reaktor telah mencapai 400oC. Karbonisasi dilakukan dalam keadaan vakum yang dihasilkan dengan mengalirkan gas inert selama proses karbonisasi dengan laju alir gas 67 cc/menit. Arang hasil karbonisasi kemudian

Preparasi Katalis

2.3

Proses Penumbuhan CNT Dibuat larutan minyak mineral 2% dengan menggunakan pelarut hexan (Mopoung dan Thongcharoen, 2009) dimana 0,1 gram minyak mineral dilarutkan kedalam 4.9 gram hexan. Sebanyak 2 g sampel karbon aktif yang telah dipreparasi ini kemudian di campur dengan 20 tetes minyak mineral 2% dan dimasukkan ke dalam

Pemanfaatan Limbah ..., Intanasa Nurdenti, FT UI, 2013

stainless steel tube. Stainless steel tube tersebut dimasukkan ke dalam reaktor kuarsa untuk kemudian dipirolisis pada suhu 1100oC selama 1 jam tanpa aliran gas lalu dibiarkan mendingin kemudian sampel diambil untuk di karakterisasi. Sampel dikarakterisasi dengan metode FE-SEM dan XRD

karbon terbesar. Selama proses karbonisasi berlangsung, reaktor dialiri dengan gas N2 untuk menjaga atmosfer dari reaksi tetap inert sehingga karbon tidak teroksidasi ataupun terbakar menjadi abu. 3.3

Penumbuhan CNT

3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Aktivasi Karbon KHCO3  

a   K2CO3   KHCO3  

a  

b   Gambar 1. Perbandingan hasil XRD karbon aktif. (a) karbon aktif sebelum pencucian, (b) karbon aktif setelah pencucian dengan HCl dan Aquadest

Hasil XRD dengan noise yang cukup besar menunjukkan bahwa karbon sudah berbentuk amorf atau berstruktur tidak teratur sebagai karbon aktif (Viswanathan, 2009). Namun masih ada pengotor berbentuk kristalin seperti KHCO3 yang terdeteksi pada peak 24o, 30o, 33.6 o, 37.6o (Abouelhassan, Salman, Elmansy, & Sheha, 2004); K2O yang ditunjukkan oleh peak 32.1o; dan peak yang lemah untuk K2CO3 pada 32,4o. Oleh karenanya perlu dilakukan pencucian dengan HCl untuk melarutkan senyawa-senyawa turunan K yang masih tertinggal dan bercampur dengan karbon aktif yang terbentuk. Bandingkan dengan karbon aktif pada gambar b yang sudah mengalami pencucian. Tidak ada peak kristalin yang terdeteksi menunjukkan bahwa karbon aktif telah bersih dari pengotor. 3.2

             

b  

Preparasi Sampel Kulit Pisang Kulit pisang mentah pada tahap preparasi mengalami beberapa perlakuan. Saat oven mencapai suhu 110oC, kulit pisang dimasukkan. Suhu 110oC dipilih agar temperatur pengeringan tidak terlalu jauh dari titik didih air dan hanya komponen air yang teruapkan, bukan komponen volatil lainnya dari kulit pisang. Kemudian kulit pisang dikarbonisasi pada suhu 600oC. Suhu ini dipilih karena berdasarkan penelitian [9] suhu karbonisasi kulit pisang 600oC merupakan suhu yang menghasilkan pori-pori

Gambar 2. Gambar FE-SEM dari Hasil Perlakuan Penumbuhan CNT dengan Pirolisis pada Suhu 1100oC (a) CNT yang dihasilkan dengan reaksi pertumbuhan tanpa tambahan katalis eksternal, (b) CNT yang dihasilkan dari reaksi pertumbuhan CNT dengan tambahan katalis eksternal.

Pemanfaatan Limbah ..., Intanasa Nurdenti, FT UI, 2013

Fe2P  

Ni  

atom Fe pada suhu tinggi [13]. Ini menegaskan bahwa CNT memang telah terbentuk pada proses ini, namun sebagian dari CNT yang telah terbentuk mengalami reaksi lanjutan dengan Fe hingga membentuk nanokristal.

Fe2P  

3.3.2 Fe3O4  

Fe2P  

CNT   Fe7C3   Ni  

CNT  

Fe3O4  

Fe7C3   Ni  

Gambar 3. Hasil XRD dari CNT hasil Pirolisis pada Suhu 1100oC (a) Karbon Aktif dengan pengeringan dan reaksi pertumbuhan CNT tanpa tambahan katalis eksternal, (b) Karbon Aktif dengan pengeringan dan reaksi pertumbuhan CNT dengan tambahan katalis eksternal, (c) Karbon Aktif tanpa pengeringan dan reaksi pertumbuhan CNT tanpa tambahan katalis eksternal, dan (d) Karbon Aktif tanpa pengeringan dan reaksi pertumbuhan CNT dengan tambahan katalis eksternal

4. Kesimpulan 1.

2. 3.

3.3.1

Tanpa Katalis Proses penumbuhan CNT tanpa tambahan katalis ini dimaksudkan untuk menghasilkan CNT dengan bantuan katalisasi Fe yang berasal dari disosiasi stainless steel. Pada proses pembuatan karbon aktif tanpa pengeringan, hasil FE-SEM menunjukkan terbentuknya CNT pada proses ini. Molekul Fe yang terdapat pada ujung CNT yang terbentuk menggambarkan mekanisme pertumbuhan CNTyang mengikuti metode tip growth. Ini juga dikonfirmasi oleh hasil XRD dari sampel yang sama. Profil XRD menunjukkan peak CNT pada 2θ = kristalin Fe7C3 yang terbentuk pada 2θ sebesar 38.13o dan 42.9o[13]. Fe7C3 terbentuk sebagai komposit nanokristal dari reaksi CNT dengan

Dengan Tambahan Katalis Penambahan katalis pada proses penumbuhan CNT ini dimaksudkan untuk menjadi pembanding tingkat keefektifan disosiasi Fe dari stainless steel dalam menumbuhkan CNT. Hasil FE-SEM dari sampel menunjukkan terbentuknya CNT dari gumpalan katalis Fe dan karbon aktif. Pada perbesaran 40000x di inset gambar terlihat CNT yang terbentuk dengan gumpalan katalis Fe diujung tubenya. Profil hasil XRD juga menunjukkan peak Fe7C3 seperti pada CNT yang ditumbuhkan tanpa tambahan katalis, ini mengkonfirmasi keberadaan CNT pada 2θ = 28.5. Profil XRD juga menunjukkan keberadaan Fe3O4 di pada 2θ = 35.66o dan 40.90o sebagai hasil oksidasi Fe yang. Morfologi hasil FE-SEM juga menggambarkan bahwa Fe terdekomposisi termal dari tabung SS dan dienkapsulasi oleh karbon yang terpresipitasi. [7]. Hasil XRD yang menunjukkan telah terbentuknya CNT dari reaksi ini.

CNT dapat dihasilkan dari karbon aktif limbah kulit buah pisang dengan reaksi menggunakan metode pirolisis dengan tambahan katalis maupun tidak. Pada suhu reaksi 1100oC, molekul Fe dapat terengkah dari stainless steel Karbon aktif yang telah ditambahkan katalis terlebih dulu menghasilkan CNT yang lebih banyak daripada karbon aktif yang tidak.

Daftar Acuan [1] Abouelhassan, S., Salman, F., Elmansy, M., & Sheha, E. (2004). Characterization of KHCO3 Single Crystal. Surface Review and Letters Vol 11, 1-4. [2] Anhwange, B., Ugye, T., & Nyiaatagher, T. (2009). Chemical composition of Musa sapientum (banana) peels. Electronic Journal of Environmental, Agricultural, and Food Chemistry, 1-6. [3] Camilli, L., Scarselli, M., Gobbo, S. D., Castrucci, P., Nanni, F., Gautron, E., . . . Crescenzi, M. D. (2011). The synthesis and

Pemanfaatan Limbah ..., Intanasa Nurdenti, FT UI, 2013

characterization of carbon nanotubes grown by chemical vapor deposition using a stainless steel catalyst. Carbon, 3307-3315. [4] Dabrowski, A., Podkoscielny, P., Hubicki, Z., & Barczak, M. (2005). Adsorption of Phenolic Compounds by Activated Carbon-a Critical Review. Chemosphere, 1049-1070. [5] Iijima, S. (2002). Carbon nanotubes: past, present, and future. Physica, 1-5. [6] Kumar, M., & Ando, Y. (2010). Chemical Vapor Deposition of Carbon Nanotubes: A Review on Growth Mechanism and Mass Production. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 3739-3758. [7] Mopoung, S. (2008). Surface Image of Charcoal and Activated Charcoal from Banana Peel. Journal of Microscopy Society of Thailand, 15-19. [8] Mopoung, S., & Thongcharoen P. (2009). Coloured intensity enhancement of latent fingerprint powder obtained from banana peel activated carbon with methylene blue . International Journal of Physical Science, 1789-1792. [9] Mopoung, S. (2011). Occurence of carbon nanotube from banana peel activated carbon mixed with mineral oil. International Journal of Physical Science, 1789-1792. [10] Najma. (2012). Pengaruh Waktu Reaksi Terhadap Produksi Nanokarbon Melalui Dekomposisi Katalitik Metana dari Karbon Aktif Limbah Kulit Buah Pisang. Jurnal Makara. [11] Popov, V. N. (2004). Carbon nanotubes: properties and application. Materials Science and Engineering , 61-102. [12] Viswanathan, B. (2009). Methods of Activation and Specific Applications of Carbon Materials. Chennai: Indian Institute of Technology Madras. [13] Yong, Z., Zhu, Z., Wang, Z,. (2007). Onedimensional carbon nanotube - FexCy nanocrystal composite. China-Japan International Academic Symposium, 1-10.

Pemanfaatan Limbah ..., Intanasa Nurdenti, FT UI, 2013